مبانی ذخیرهسازی
ذخیرهسازی زیرزمینی گازها از دههها پیش در صنعت نفت و گاز رایج بوده است. با ظهور نیازهای جدید در حوزه انرژی پاک، این فناوریها به سمت ذخیرهسازی هیدروژن و دیاکسید کربن نیز توسعه یافتهاند (Heinemann et al., 2024). با این حال هر گاز رفتار متفاوتی در ساختارهای زیر زمینی بسته به ویژگیهایی مثل وزن مولکولی، چگالی، قابلیت حل شدن در آب، و میزان نشتپذیری دارد. مشخصات سه گاز مورد بررسی در این پژوهش به شرح زیر است:
• هیدروژن: بسیار سبک و فرّار است. به راحتی از سنگها عبور میکند و احتمال نشت بالایی دارد. اما چون در آب کم حل میشود، کمتر با سنگهای اطراف واکنش میدهد.
• گاز طبیعی (متان): نسبت به هیدروژن سنگینتر و پایدارتر است. نشتپذیری کمتری دارد و راحتتر در ساختارهای زیرزمینی نگهداری میشود.
• دیاکسید کربن: معمولاً به صورت مایع فوق بحرانی ذخیره میشود (نه گاز). در این حالت، چگالی بالا و نشتپذیری کم دارد، که آن را برای ذخیرهسازی دائمی مناسب میکند.
به علاوه، انواع سازندهای زمینشناسی برای ذخیرهسازی گازها وجود دارند که در این گزارش، چهار سازند حفره های نمکی، غارهای سنگی، آبخوانهای عمیق و مخازن تخلیه شده نفت و گاز مورد بررسی قرار گرفته اند. بر اساس ترمودینامیک گازها، زمینشناسی مخازن، و مدیریت ریسک و ایمنی نقش گازها در مخازن در یکی از سه حوزه زیر میتواند بررسی شود:
• ترمودینامیک گازها: رفتار گازها در فشار و دمای بالا بهویژه در حالت فوق بحرانی برای CO، تعیینکننده نوع ساختار مناسب برای ذخیرهسازی است(IEA, 2023).
• زمینشناسی مخازن: ویژگیهای سنگهای متخلخل، پوش سنگها، و ساختارهای نمکی نقش کلیدی در ایمنی و پایداری ذخیرهسازی دارند(Oxford Energy, 2024).
• مدیریت ریسک و ایمنی: پایش نشت، واکنشهای شیمیایی و پایداری بلندمدت از الزامات فنی و زیستمحیطی ذخیرهسازی هستند(Caglayan et al., 2020).
مطالعات پیشین نشان دادهاند که CO بیشترین ظرفیت ذخیرهسازی را در آبخوانهای عمیق و مخازن تخلیهشده نفت و گاز داردIEA, 2023) در حالی که هیدروژن مناسبترین ساختارها را در حفرههای نمکی دارد اما ظرفیت آنمحدود است(Caglayan et al., 2020) . همچنین، برخی نظریهها به رقابت بین گازها برای استفاده از ساختارهای مشابه اشاره دارند. به طور مثال، هیدروژن و گاز طبیعی ممکن است برای حفرههای نمکی رقابت کنند. این رقابت میتواند منجر به افزایش هزینه، پیچیدگیهای فنی، و نیاز به سیاستگذاری هماهنگ شود(Heinemann et al., 2024). از منظر زیستمحیطی نیز، هزینه ساخت، پایش و نگهداری مخازن باید با مزایای کاهش انتشار، امنیت انرژی و پایداری بلندمدت مقایسه شود. ضمن آنکه ریسکهای زیستمحیطی مانند نشت CO یا آلودگی آبهای زیرزمینی باید مد نظر قرار داده شوند(IEA, 2023).
مطالعات متعددی در اروپا، آمریکا و چین به بررسی ظرفیت ساختارهای زمینشناسی برای ذخیرهسازی گازها پرداختهاند. یافتههای کلیدی این مطالعات را میتوان به شرح زیر دستهبندی نمود:
• دی اکسید کربن: بیشترین ظرفیت ذخیرهسازی در آبخوانهای عمیق و مخازن تخلیهشده نفت و گاز وجود دارد. این ساختارها امکان تثبیت شیمیایی COرا نیز فراهم میکنند (IEA, 2023).
• هیدروژن: مناسبترین ساختارها حفرههای نمکی هستند، به دلیل نشتناپذیری بالا و امکان برداشت سریع. با این حال، ظرفیت آنها محدود و پراکندگی جغرافیاییشان نامتوازن است(Caglayan et al., 2020).
• گاز طبیعی: زیرساختهای گسترده و تجربه عملیاتی بالا در مخازن تخلیهشده و حفرههای نمکی در اروپا و آمریکا وجود دارد.
در مقابل، دیاکسید کربن معمولاً در ساختارهایی مانند آبخوانهای عمیق ذخیره میشوند که با دو گاز دیگر همپوشانی ندارند. این تفاوت میتواند در سیاستگذاری و برنامهریزیهای مدیریت مخازن و سازندهای زمینشناسی نقش مهمی ایفا کنند.
ظرفیتهای نسبی ساختارهای زمینشناسی برای هر گاز
در جداول 1 و مزایا و چالشهای ذخیرهسازی هر سه گاز در سازندهای نمکی، سنگی، سفرههای آبهای زیر زمینی و میادین تخلیه شده هیدروکربنی ارائه شده است.
جدول 1. مزایای ذخیرهسازی گازها بر حسب سازندهای ذیربط
غارهای نمکی غارهای سنگی سفرههای آب عمیق میادین تخلیهشده هیدروکربنی نوع گاز
نفوذناپذیری، قابلیت تزریق و برداشت سریع امکان استفاده از زیرساختهای موجود مناسب برای ذخیرهسازی بلندمدت و ایستا ظرفیت ذخیرهسازی بالا، استفاده از گاز طبیعی بهعنوان گاز پایه باعث تسریع توسعه هیدروژن (H₂)
نیاز کمتر به گاز پایه، خاصیت خودآببندی ، امنیت بالا، مناسب برای چرخههای پرتکرار فناوری و روشهای عملیاتی تثبیتشده، گزینه مناسب در نبود غارهای نمکی یا مخازن تخلیهشده انعطافپذیری در استفاده از منابع به دلیل امکان تغییر کاربری از سازندهای آبدار ظرفیت اثباتشده برای نگهداری، ایمنی بالا، زمینشناسی شناختهشده، زیرساخت موجود، حجم ذخیره زیاد، شرایط فشار و عمق مطلوب متان (CH₄)
نفوذناپذیری و جلوگیری مؤثر از نشت فناوری تثبیتشده برای ذخیرهسازی گاز ظرفیت ذخیرهسازی بالا، در دسترس بودن گسترده، کاهش ریسک نشت به دلیل حل شدن در آب شور و احتمال تبدیل به مواد معدنی ظرفیت و سازوکارهای آببندی اثباتشده از ذخیرهسازی قبلی هیدروکربنها دیاکسید کربن (CO₂)
جدول 2. چالشهای ذخیرهسازی گازها بر حسب سازندهای ذیربط
غارهای نمکی غارهای سنگی سفرههای آب عمیق میادین تخلیهشده هیدروکربنی نوع گاز
خطر تشکیل هیدرات (انسداد)، دشواری در استخراج کامل گاز پایه هنگام تغییر کاربری از گاز طبیعی، نیاز به ایمنی بیشتر به دلیل نبود ساختار متخلخل احتمال نشت زیاد به دلیل نفوذپذیری بالا، نیاز به تقویت برای کاهش نشت، انعطافپذیری محدود به دلیل نرخ تزریق و برداشت پایین نیاز بالا به گاز بالشتکی یا پایه1، نیاز به مهندسی دقیق برای جلوگیری از مهاجرت هیدروژن نیاز به آببندی و پایش بیشتر برای جلوگیری از نشت، احتمال آلودگی با هیدروکربنهای باقیمانده هیدروژن (H₂)
فرآیند شستوشوی پرهزینه و زمانبر هزینه ساخت بالا، عملکرد عملیاتی کندتر نیاز زیاد به گاز بالشتکی یا پایه، نگرانیهای زیستمحیطی، انعطافپذیری عملیاتی محدود نیاز بیشتر به گاز پایه متان (CH₄)
حجم ذخیره محدود، طراحیشده برای چرخههای پرتکرار، خوردگی تجهیزات ظرفیت محدود، خطر ناپایداری، حل شدن و نشت در برخی سنگها به دلیل خاصیت اسیدی CO، امنیت نگهداری محدود، هزینه توسعه و نگهداری بالا نیاز به ارزیابی و پایش گسترده برای تضمین نگهداری، پیچیدهتر و پرهزینهتر از مخازن تخلیهشده تعامل با هیدروکربنهای باقیمانده ممکن است دینامیک ذخیرهسازی را پیچیده کند دیاکسید کربن (CO₂)
نتایج کاربردی این پژوهش برای ایران
این پژوهش نشان میدهد که ذخیرهسازی زیرزمینی گازها یک راهکار کلیدی برای تحقق اهداف کاهش کربن و امنیت انرژی است. هر گاز ویژگیهای خاصی دارد که بر انتخاب ساختار مناسب، هزینه، ایمنی و پایداری تأثیر میگذارد. هیدروژن به ساختارهایی با نشتپذیری بسیار پایین نیاز دارد و هزینه ذخیرهسازی آن زیاد است. گاز طبیعی از زیرساختهای موجود بهرهمند است و ذخیرهسازی آن مقرونبهصرفهتر است. به علاوه، دیاکسید کربن برای ذخیره دائمی مناسب است و در شرایط فعلی نسبت به هیدروژن و متان برتری دارد. غارهای نمکی به دلیل نفوذناپذیری بالا و قابلیت تزریق و برداشت سریع، گزینهای مناسب برای ذخیرهسازی هیدروژن و متان هستند. با این حال، تشکیل هیدرات در ذخیرهسازی هیدروژن میتواند باعث انسداد شود و نیاز به ایمنی بالا و تقویت زیرساختها دارد. همچنین فرآیند شستوشوی این غارها پرهزینه و زمانبر است. بنابراین، توجه به مشخصات و ظرفیت های ذخیرهسازی سازندهای زمینشناسی به منظور مدیریت ذخیره سازی امری اساسی است و باید ملاحظاتی در خصوص هر یک صورت گیرد. غارهای سنگی از نظر زیرساختی قابل استفادهاند، اما به دلیل نفوذپذیری بالا، به تقویت جدی نیاز دارند. در مورد ذخیرهسازی دی اکسیدکربن نیز خطر ناپایداری و نشت وجود دارد که امنیت نگهداری را کاهش میدهد. سفرههای آب عمیق ظرفیت ذخیرهسازی بالایی دارند و برای ذخیره سازی دی اکسید کربن در این سازندها، باید توجه داشت که به دلیل حل شدن در آب شور و تبدیل به مواد معدنی، ریسک نشت کاهش مییابد. اما برای هیدروژن و متان، نیاز به گاز پایه زیاد و مهندسی دقیق برای جلوگیری از مهاجرت گاز وجود دارد. مخازن تخلیهشده هیدروکربنی نیز به دلیل زیرساختهای موجود، زمینشناسی شناختهشده و ظرفیت بالا، گزینهای بسیار مناسب برای ذخیرهسازی متان و دی اکسید کربن هستند. با این حال، در ذخیرهسازی هیدروژن، احتمال آلودگی با هیدروکربنهای باقیمانده و نیاز به پایش و آببندی بیشتر مطرح است.
ایران با توجه به تنوع زمینشناسی، دارا بودن منابع عظیم هیدروکربنی، ساختارهای زمینشناسی متنوع و تجربه گسترده در بهرهبرداری از مخازن نفت و گاز، ظرفیت قابل توجهی برای توسعه ذخیرهسازی زیرزمینی گازها دارد. از سوی دیگر ، با توجه به زیرساختهای موجود و نیاز روزافزون به مدیریت منابع انرژی، نیاز زیادی برای توسعه ذخیرهسازی زیرزمینی گازها وجود دارد. بنابراین، با بهرهگیری از تجربیات جهانی و تطبیق آن با شرایط بومی، میتوان راهکارهایی پایدار و اقتصادی برای ذخیرهسازی هیدروژن، متان و دیاکسید کربن در سازندهای مختلف کشور طراحی کرد. این امر نهتنها به امنیت انرژی کمک میکند، بلکه نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانهای و توسعه فناوریهای نوین انرژی خواهد داشت. سرانجام، توسعه سیاستهای هماهنگ، سرمایهگذاری در فناوریهای نوین ذخیرهسازی و پایش دقیق ساختارهای زیرزمینی برای تحقق اهداف کاهش کربن و امنیت انرژی ضروری است و با توجه به ظرفیتهای زمینشناسی قابل توجهی برای ذخیرهسازی CO و گاز طبیعی در کشور، توجه به آن در برنامهریزی های آتی انرژی کشور، اساسی است.
بر اساس تحلیل فنی، میتوان کاربردهای زیر را برای ایران پیشنهاد کرد:
الف) ذخیرهسازی هیدروژن
• در غارهای نمکی جنوب ایران مانند نواحی اطراف بندرعباس و فارس، با توجه به وجود سازندهای نمکی مانند سازند هرمز، امکان ایجاد غارهای نمکی برای ذخیرهسازی هیدروژن وجود دارد. البته باید به خطر تشکیل هیدرات و نیاز به تقویت زیرساختها توجه شود.
• در میادین تخلیهشده گازی مانند بخشهایی از مخزن آغاجاری یا گچساران میتوان از زیرساختهای موجود بهره برد، اما باید پایش دقیق برای جلوگیری از نشت و آلودگی انجام شود.
ب) ذخیرهسازی متان
• در مخازن تخلیهشده نفتی و گازی با توجه به تجربه عملیاتی ایران در بهرهبرداری از این مخازن، استفاده از آنها برای ذخیرهسازی متان بسیار مناسب است. این روش میتواند به مدیریت تقاضای فصلی گاز طبیعی کمک کند.
• در سفرههای آب عمیق: در مناطقی مانند دشتهای خوزستان و کرمان، میتوان از سازندهای آبی، البته با در نظر گرفتن ملاحظات زیستمحیطی، برای ذخیرهسازی متان استفاده کرد.
ج) ذخیرهسازی دیاکسید کربن
• در مخازن تخلیهشده نفتی: این روش میتواند به عنوان بخشی از راهبرد «کاهش انتشار کربن وافزایش بازیافت نفت مورد استفاده قرار گیرد. میتوان از فناوریهای ذیربط برای کاهش اثرات زیستمحیطی صنایع نفت و گاز بهره ببرد.
• در سفرههای آب شور عمیق: با توجه به گستردگی این سازندها در ایران، ذخیرهسازی دی اکسید کربن در آنها میتواند به کاهش ریسک نشت و افزایش پایداری کمک کند.
۳. مراجع
Caglayan, D. G., Weber, N., Heinrichs, H. U., Linßen, J., Robinius, M., & Stolten, D. (2020). Technical potential of salt caverns for hydrogen storage in Europe. International Journal of Hydrogen Energy, 45(11), 6793–6805. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.12.161
Heinemann, N., Alcalde, J., Miocic, J. M., Hangx, S. J. T., Kallmeyer, J., Ostertag-Henning, C., ... & Edlmann, K. (2024). Enabling large-scale hydrogen storage in porous media–the scientific challenges. Energy & Environmental Science, 17(1), 1–20. https://doi.org/10.1039/D3EE02041A
International Energy Agency (IEA). (2023). CO₂ Storage Resources and Readiness. https://www.iea.org/reports/co2-storage-resources
Oxford Energy. (2024). Underground storage for decarbonisation: Trade-offs between hydrogen, natural gas, and carbon dioxide. Oxford Institute for Energy Studies. https://www.oxfordenergy.org/publications/underground-storage-for-decarbonisation/
